Natrium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
²¹Na	{syn.}	22,49 s	ε	3,547	²¹Ne
²²Na	{syn.}	2,602 a	ε	2,842	²²Ne
²³Na	100 %	Na ist stabil mit 12 Neutronen
²⁴Na	{syn.}	14,959 h	β^-	5,516	²⁴Mg
²⁵Na	{syn.}	59,1 s	β^-	3,835	²⁵Mg

NMR-Eigenschaften

	²³Na
Kernspin	3/2
gamma	7,076 · 10⁷ rad/T
Empfindlichkeit	100 %
Larmorfrequenz bei B = 4,7 T	52,9 M Hz

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Natrium (von ägypt. netjer „Natron“ aus arab. natrun „Natron“, da Natrium den Hauptbestandteil von Natron bildet, veraltete und englisch-französische Bezeichnung Sodium), chem. Symbol Na, ist ein chemisches Element. Es gehört zur 1. Hauptgruppe des Periodensystems und hat die Ordnungszahl 11. Natrium ist ein weiches, wachsartiges, silberglänzendes, hochreaktives Alkalimetall.

Geschichte

Die Herstellung des Elements gelang als erstem Sir Humphry Davy im Jahre 1807 durch Elektrolyse von geschmolzenem Natriumhydroxid unter Verwendung von Voltaschen Säulen als Stromquelle.

Gewinnung und Darstellung

Die großtechnische Herstellung von Natrium erfolgt heute durch Schmelzflusselektrolyse von trockenem Natriumchlorid in einer Downs-Zelle. Zur Schmelzpunkterniedrigung wird ein Salzgemisch aus Calcium- (46 %), Natrium- (28 %) und Bariumchlorid (26 %) eingesetzt. Die zylindrische Elektrolysezelle besteht aus einer mittigen Graphitanode, über der das entstehende Chlorgas abgezogen wird. Oberhalb der kleeblattförmig um die Graphitanode angeordneten Stahlblechkathoden wird das flüssige Natrium abgezogen und nach einer Zwischenlagerung einem Reinigungsprozess zugeführt.

Anodenvorgang:

$\mathrm {2Cl^{-}\rightarrow Cl_{2}+2e^{-}}$

Kathodenvorgang:

$\mathrm {Na^{+}+e^{-}\rightarrow Na^{0}}$

Gesamtvorgang bei der Elektrolyse:

$\mathrm {2Na^{+}+2Cl^{-}\rightarrow 2Na+Cl_{2}}$

Seit Einführung der Chlor-Alkali-Schmelzfluss-Elektrolyse hat sich der Preis für Natrium drastisch verringert. Heute ist Natrium volumenbezogen das preiswerteste Leichtmetall überhaupt.

Nachweis

Der Nachweis erfogt spektroskopisch die intensiv gelbe Flammenfärbung oder genauer über die Na- D-Linie bei 588,99nm und 589,59 nm.

Eine quantitaive Bestimmung von Natrium ist schwer möglich da Natriumverbindungen leicht wasserlöslich sind.

Vorkommen

Natrium ist ein auch im Weltall relativ häufig vorkommendes Element. Im ausgestrahlten Licht vieler Himmelskörper, auch dem der Sonne, können die gelben Spektrallinien der D-Serie gut nachgewiesen werden.

In Erdkruste ist Natrium das sechsthäufigste Element. Es kommt aufgrund seiner Reaktivität nicht elementar vor. Wichtige Natriumdepots sind die Ozeane mit 10 bis 11 g Na⁺ pro l Meerwasser, sowie Salzlager und Mineralvorkommen. Wichtige natürlich vorkommende Minerale sind:

Steinsalz (Halit) - NaCl
Natronsalpeter (Chilesalpeter) - NaNO₃
Kryolith (Eisstein) - Na₃[AlF₆]
Natronfeldspat (Albit) - Na[AlSi₃O₈]

Eigenschaften

Analog den anderen Alkalimetallen reagiert Natrium mit vielen anderen Elementen und Verbindungen oft sehr heftig, vor allen mit nicht-Metallen, und kommt in der natürlichen Umwelt nur in gebundener Form vor. Natrium reagiert heftig mit Wasser unter Bildung von Natriumhydroxid und Freisetzung von Wasserstoff. Da das Natriumstück unkontrolliert zerplatzen kann, ist Vorsicht bei einem Experiment ratsam. Als Alternative bietet sich der Versuch mit Lithium an, was jedoch wesentlich teurer ist.

Reaktion mit Wasser: $\mathrm {2Na+2H_{2}O\rightarrow 2NaOH+H_{2}}$

Allgemein: $\mathrm {2Na+2ROH\rightarrow 2Na^{+}+2OR^{-}+H_{2}}$

Durch die hohe Reaktionswärme schmilzt es häufig auf. Bei feiner Verteilung des Natriums (große Reaktionsoberfläche) kann die Reaktion explosiv sein. Kommt Natrium mit chlorierten Verbindungen wie Dichlormethan, Chloroform, Tetrachlormethan in Kontakt, kommt es unter Bildung von NaCl zu einer schnellen und exothermen Reaktion. Bei Kontakt mit Luftfeuchtigkeit bildet sich auf dem Natrium konzentriertes Natriumhydroxid, so dass man sich bei Berührung mit Natrium leicht die Haut verätzt. An der Luft entzündet es sich recht schnell, deswegen muss man sehr aufpassen. Die dann einsetzende Verbrennung unter Bildung einer intensiv gelbgefärbten Flamme (Wellenlänge ~ 589,3 nm) führt zum Natriumperoxid Na₂O₂ und Natriumoxid Na₂O.

Kleinere Mengen Natrium werden unter Petroleum aufbewahrt. Für größere Mengen gibt es integrierte Handhabungssysteme mit Schutzgasatmosphäre. Natrium ist häufig von einer Schicht aus NaOH und Na_2O überzogen

Natriumbrände lassen sich mit Natriumcarbonat, Kochsalz oder trockenem Zement löschen.

Elementares Natrium

Elementares Natrium kristallisiert im kubisch raumzentriert Gitter mit einer Gitterkonstante von 4,230 Ångström. Das Metall ist so weich, dass es sich mit dem Messer schneiden lässt. Natrium ist ein silberweißes, weiches Metall, das bei 98,7°C schmilzt und bei 883°C unter Bildung eines purpurfarbenen Dampfes siedet. Der Dampf besteht hauptsächlich aus Natriumatomen, doch es lassen sich auch Dinatriummoleküle finden.

Physiologie

Na⁺-Ionen spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Wasserhaushaltes von Lebewesen (Regulierung durch osmotischen Druck), sowie bei der Übertragung von Nervenimpulsen. Die Aufnahme von Na⁺ als Mineralstoff ist für Lebewesen daher essentiell.

Mit Speisesalz (NaCl) nehmen Menschen täglich Natrium auf. Dabei entsprechen 5 Gramm Kochsalz etwa 2 Gramm reinem Natrium. Dies entspricht auch der täglich benötigten Menge eines erwachsenen Menschen. Dass viel Kochsalz gesundheitsschädlich ist, trifft neueren Forschungsergebnissen zufolge nur noch für bestimmte Menschen zu.

Verwendung

Metallisches Natrium ist eine essentielle Komponente bei der Herstellung von Estern und organischen Verbindungen.

Anwendungen :

Gefügeverbesserung von Werkstoffen, beispielsweise zur Desoxidation und Kornfeinung in Aluminium-Siliziumlegierungen
Herstellung von Titan, Niob und Tantal: Reduzierung der Oxide und Halogenide.
Trocknen von halogenfreien Lösemitteln
NaK, eine Legierung aus Natrium und Kalium zur Wärmeübertragung sowie zur Dehalogenierung in der organischen Synthese. NaK eignet sich auch gut zum Trocknen einiger bereits gut vorgetrockneter Lösemittel. So erreicht man besonders niedrige Rest-Wassergehalte. NaK reagiert mit Wasser zur Hydroxiden
zur "Kühlung" von Ventilen in Hochleistungsmotoren. Hier sorgt das in den Ventilen eingeschlossene flüssige Natrium aufgrund seiner hohen Wärmekapazität für eine schnelle Abführung der Wärme von den Ventilsitzen in den Ventilschaft.
zur Kühlung im Primär- und Sekundärkreislauf von Kernkraftwerken mit Brutreaktoren
Natrium-Dampf-Lampen zählen zu den effektivsten Lichtquellen.

Natrium beziehungsweise Na⁺-Kationen werden in vielen weiteren Anwendungen eingesetzt. Als Rohstoff werden dort aber Natriumverbindungen eingesetzt.

Verbindungen

Die Flammenfärbung des Natriums zeigt die deutlich gelben Emissionslinien (D-Linien) bei Wellenlängen von 589,00 und 589,59 Nanometern.

Natrium kommt ausschließlich in der Oxidationsstufe +1 vor. Die Verbindungen sind stark ionisch. Mit Halogenen bildet Na Verbindungen der Form Na⁺X^-, wie Natriumfluorid und Natriumchlorid. Fast alle Natrium-Verbindungen sind gut wasserlöslich.

Zu den wichtigsten Na-Verbindungen zählen neben Natriumchlorid (Kochsalz) als Lebensmittel und wichtigster Ausgangsverbindung für andere Na-Verbindungen Natriumcarbonat (Soda), das v.a. für die Glasherstellung verwendet wird und Natriumhydroxid (wässr. Lösung: Natronlauge) als wichtigste Base.

weitere Natriumverbindungen

Literatur

A. F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin 1963, 1995. ISBN 3-11-012641-9
David M. Adams: Inorganic Solids. Wiley, London 1974. ISBN 0-471-00470-7

Weblinks

Wiktionary: Natrium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Natrium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien